Статья «Topologically guided tuning of Zr-MOF pore structures for highly selective separation of C6 alkane isomers» (doi: 10.1038/s41467-018-04152-5) опубликована в Nature Communications — рецензируемом научном журнале открытого доступа, который выпускается Издательской группой Nature.Топологически управляемая настройка структуры веществ — вот амбициозная цель ученых, работающих в области материаловедения, которая уже начинает активно реализовываться на практике. В частности, в данной работе выполнен топологический дизайн и синтез трёх новых пористых цирконий-органических материалов с каркасной структурой, оптимизированной для эффективного адсорбционного разделения изомеров C6-алканов. Важным достижением работы, по мнению Евгения Александрова, можно считать создание схемы структурных закономерностей, которая дает основу для прогнозирования возможности получения новых цирконий-органических каркасов с требуемыми свойствами.
Разделение углеводородов с близкими температурами кипения представляет собой важный, но сложный промышленный процесс улучшения качества жидкого и газообразного топлива и очистки веществ, используемых в органическом синтезе и производстве полимерных материалов. В качестве альтернативы к энергоемкой технологии дистилляции выступает адсорбционное разделение, которое обеспечивает более низкую стоимость и затраты энергии и при этом показывает более высокую эффективность. Металл-органические каркасы обладают большими перспективами в адсорбционном разделении благодаря высокой пористости и возможности широкого выбора материалов с подходящими размерами пор, что обеспечивает надежные перспективы для энергоэффективного разделения углеводородов.
В авторский коллектив вошли учёные из исследовательских лабораторий и университетов пяти стран: США, Саудовской Аравии, Китая, России и Италии. Hao Wang, Qibin Xia, Qining Wang, David H. Olson и Jing Li из Ратгерского университета (США), Xinglong Dong и Yu Han из Научно-технологического университета имени короля Абдаллы (Саудовская Аравия), Junzhong Lin и Junliang Sun из Пекинского университета (Китай), Simon J. Teat из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли (США), Stephanie Jensen и Timo Thonhauser из Университета Уэйк-Форест (США), Jeremy Cure, Kui Tan и Yves J. Chabal из Техасского университета в Далласе (США), научный руководитель МНИЦТМ Давиде Прозерпио из Миланского университета (Италия) и старший научный сотрудник МНИЦТМ Евгений Александров.
Учеными из США в процессе исследования выполнен помощью программного комплекса ToposPro топологический дизайн и синтез трех новых цирконий-органических материалов с каркасной структурой, оптимизированной для эффективного разделения изомеров C6-алканов — важной стадии процесса переработки нефти для получения высокооктанового бензина. Разделяющая способность для двух наиболее стабильных материалов протестирована коллегами из Саудовской Аравии экспериментальным путем с использованием наполненной сорбентом колонки. Интересен установленный факт, что каркас с наименьшими размерами пор способен поглощать большое количество н-гексана, но исключает его разветвленные изомеры. Его поглощающая способность для н-гексана на 70% выше, чем у стандартного цеолитного сорбента. Механизм селективной адсорбции путем «просеивания» молекул меньшего размера подтверждается компьютерным моделированием. Второй каркас с большим размером пор способен разделять три разветвленных изомера C6 и имеет самый высокий коэффициент разделения для 3-метилпентана по отношению к 2,3-диметилбутану, что очень важно для производства бензина высокого качества. Для понимания причин разделяющей способности полученных материалов коллегами из США и Китая использовались методы квантово-химического моделирования диффузии молекул C6 изомеров в порах каркасов. Сотрудниками МНИЦТМ (профессор Давиде Прозерпио и Евгений Александров) выполнен детальный и обширный топологический анализ цирконий-органических каркасов (211 известных структур).
«В нашей работе, благодаря созданию схемы структурных закономерностей, — рассказывает Евгений Александров, — мы не только успешно используем на практике теоретические методы прогнозирования материалов, но и даем список важных для промышленности веществ, которые еще не существуют, но могут быть получены в ближайшем будущем».